Особенности дыхания в разных условиях

Введение

Жизнедеятельность организма сопряжена с непрерывным потреблением атмосферного кислорода и образованием в тканях двуокиси углерода. Во время вдоха воздух поступает в легкие, где происходит газообмен: притекающая к легким венозная кровь насыщается кислородом, а избыток двуокиси углерода удаляется с выдыхаемым воздухом. Обмен газов между атмосферой и клетками организма называется дыханием. Периодическое обновление воздуха в легких позволяет организму поддерживать дыхательный гомеостаз — состояние, характеризующееся оптимальным для жизнедеятельности относительным постоянством газового состава крови и тканей.
Само по себе поступление кислорода в организм и удаление из него двуокиси углерода еще не может обеспечить поддержания оптимального для метаболизма тканевого обмена. Постоянно меняющиеся режимы деятельности организма, связанные с изменениями потребления кислорода и выделения двуокиси углерода, например, при мышечной деятельности, эмоциональных реакциях и др., могут влиять на дыхательный гомеостаз.
Кроме того, состав атмосферного воздуха, содержание в нем кислорода и двуокиси углерода, атмосферное давление не являются постоянными, что в свою очередь также может стать причиной изменений соотношения содержания кислорода и двуокиси углерода в организме. Однако, несмотря на всевозможные возмущающие факторы, способные нарушить дыхательный гомеостаз, организм способен при различных условиях существования поддерживать их оптимум в крови и тканях. Эту функцию выполняет функциональная система дыхания. Ее деятельность направлена на стабилизацию кислородно-углекислотного баланса в организме и восполнение возникающей газовой потребности.
Благодаря деятельности функциональной системы дыхания при изменяющихся условиях жизнедеятельности объем легочной вентиляции принимает значения, которые способствуют наиболее полному удовлетворению дыхательных потребностей организма.


1 Особенности дыхания при мышечной работе
Дыхание во время мышечной работы стимулируется весьма эффективно. Усиление вентиляции легких обеспечивает возрастающие потребности организма в кислороде. Так, при быстрой ходьбе человек потребляет 2—2,5 л 02, а при напряженной физической работе — до 4 л в минуту (в покое — 250 мл в 1 мин). При этом возникает кислородный долг — накапливаются недоокисленные продукты (молочная кислота). В случае умеренной физической нагрузки кислородный долг составляет 3—4 л, а при форсированной долг может достигать 10—20 л. Факторы, ведущие к увеличению вентиляции легких, разнообразны.
Во-первых, это изменения газового состава крови, pH крови и температуры тела (в первую очередь работающих мышц).
Влияние увеличения напряжения РСО2 и уменьшения напряжения РО2, а также закисление среды. Все эти факторы усиливают вентиляцию легких. Закисление среды возрастает в основном за счет накопления молочной кислоты. Повышение температуры интенсивно работающих мышц увеличивает скорость диссоциации оксигемоглобина, как и увеличение образования СО2, что повышает коэффициент утилизации О2 в мышцах с 30—40 до 50—60 %. Однако изменения газового состава крови при мышечной работе крайне малы, так как при этом усиливается вентиляция легких.
Во-вторых, дыхание стимулируют импульсы от двигательных центров и от коры большого мозга, которые проводятся к мускулатуре, в том числе и к дыхательной мускулатуре, посредством активации дыхательных нейронов, что и ведет к усилению дыхания, причем нервные влияния, стимулирующие дыхание, опережают изменения газового состава крови.
В-третьих, импульсы от проприорецепторов работающих мышц также стимулируют дыхание. Это доказывается, например, результатом опыта с пассивными движениями конечности, когда потребление кислорода мышцами не увеличивается, как и выделение СО2. Однако вентиляция легких возрастает. О том, что нервные влияния, усиливающие дыхание при мышечной работе, опережают гуморальные сдвиги, свидетельствует и результат опыта со жгутом. Испытуемому накладывают жгуты на нижние конечности для предотвращения попадания крови от работающих мышц в общий кровоток. В этих условиях работа на велоэргометре сразу же сопровождается усилением вентиляции легких, несмотря на то что влияние сдвигов РСО2, РО2 и pH на дыхание исключается.
Естественно, увеличению доставки О2 к работающим мышцам и удалению СО2 способствует согласованное увеличение кровообращения в организме, особенно интенсивно — в работающем органе, выход крови из депо.

2 Дыхание человека при пониженном давлении воздуха
Снижение парциального давления кислорода в окружающем воздухе, что в естественных условиях имеет место при восхождении человека на высокие горы, вызывает недостаток 02 в крови, что называется артериальной гипоксемией

. Так, на высоте 3000 м над уровнем моря барометрическое давление воздуха уменьшается на %, а на высоте 8500 м — на 2/3.
Таблица 1. Парциальное давление кислорода во вдыхаемом и альвеолярном воздухе и процент насыщения артериальной крови кислородом на различной высоте над уровнем моря

При подъеме человека на высоту до 3—3,5 км над уровнем моря артериальная кровь насыщена кислородом в пределах нормы — на 90—95 % (табл. 1).
Таблица 2. Зависимость вентиляции легких и напряжении газов в альвеолах от высоты обитания испытуемых
Местность Высота, м
Число дыханий в минуту л/мин Вентиляция
легких,
л/мин Напряжение кислорода мм рт. ст. Напряжение углекислоты, мм рт. ст.
Фрунзе 760 13,6 4,1 82 38
Нарын 2028 16,7 4,8 62 34
Мургаб 3600 17,9 6,4 52 31

В результате приспособительных изменений дыхательной функции переход кислорода из воздуха альвеол в кровь облегчается настолько, что градиент напряжения на этом участке его пути близок к нулю, в то время как у жителей равнин он колеблется в пределах 7 — 10 мм рт. ст. Градиент напряжения кислорода у обитателей высокогорья и местности па уровне моря изображен на рис. 1.

Рис 1. Градиенты напряжения кислорода от трахеального воздуха (1) к альвеолярному (2), артериальной крови (3), крови капилляров легких (4), смешанной венозной крови (5); а — жители Лимы, 150 м над уровнем моря; 6 жители Морокоча, 4540 м.

Поскольку насыщение артериальной крови кислородом при подъеме на высоту до 3000 м над уровнем моря составляет не менее 90 %, то в этих условиях незначительное снижение напряжения О2 в артериальной крови человека происходит за счет уменьшения содержания в крови физически растворенного кислорода. Это, тем не менее, обусловливает появление слабо выраженной гипоксемии и сопровождается незначительным увеличением вентиляции легких. Восхождение человека на высокую гору всегда сопряжено с усиленной мышечной деятельностью, повышением температуры тела, увеличением в плазме крови содержания катехоламинов. Эти факторы оказывают комплексное стимулирующее влияние на дыхание человека при восхождении на горную высоту. В результате слабо выраженная артериальная гипоксемия при участии периферических хеморецепторов увеличивает степень гиперпноэ у человека, обусловленное работой мышц. Повышенное содержание катехоламинов в плазме крови повышает чувствительность периферических хеморецепторов к гипоксемии и, усиливая активность периферических хеморецепторов, ведет к росту параметров внешнего дыхания. Наконец, повышение температуры тела человека при восхождении на высокие горы в результате мышечной деятельности также повышает чувствительность периферических хеморецепторов к гипоксемии. Повышение температуры тела при физической работе может стимулировать дыхание через усиление скорости метаболизма в организме, через периферические хеморецепторы и нейроны дыхательного центра. При этом периферические хеморецепторы являются основными источниками стимуляции вентиляции легких у человека при гипоксии. Поэтому при восхождении человека на высокую гору до высоты 3—3,5 км над уровнем моря усиление вентиляции обусловлено активацией механизмов гуморальной и нервной регуляции дыхания в пределах физиологической нормы.
Начиная с высоты 3,5 км над уровнем моря в артериальной крови человека уменьшение напряжения О2 в плазме крови происходит как за счет падения фракции физически растворенного О2, так и за счет понижения насыщения гемоглобина кислородом. При снижении насыщения артериальной крови кислородом до 80—85 % у человека появляются признаки недостаточности дыхания, которые проявляются головокружением, увеличением частоты сердцебиений, слабостью, вплоть до потери способности мышечной деятельности, или обморочным состоянием. Явления дыхательной недостаточности, как правило, возникают внезапно и исчезают при отдыхе, но могут вновь появиться при возобновлении восхождения на высокую гору в результате мышечной деятельности. Указанный комплекс симптомов получил название горной болезни. При выраженной гипоксии (4000 м и выше над уровнем моря), когда напряжение кислорода в артериальной крови достигает 50 мм рт